藍寶石基底矽晶薄膜

藍寶石基底矽晶薄膜 (Silicon on Sapphire, SOS)

[SOS 發展狀況]

SOS 材料發展逾40 餘年，(for detailed information, see The History of Silicon-on-Sapphire ) 雖然在高頻、高速電子元件的製作上，SOS材料存有許多競爭優勢，但是其發展瓶頸仍然在於矽晶在藍寶石基板上的磊晶品質標準，還屬於利基產品，未能全面普及應用。正如兼有兩個會士(IEEE & ECS) 的賓州州大 (Penn State U.)電機與材料工程與科學系教授 Jerzy Ruzllo 在其Blog中 Silicon-On-Sapphire, SOS 一文開門見山所闡明的話："The reason which brought past development of SOS technology to the halt was a problem with a quality of Si epitaxial layer grown on sapphire."

[現今主流技術簡介]

現今應用在微電子產業常見的單晶矽薄膜(即沒有晶粒邊界存在的矽晶薄膜)，依差排密度有兩種存在類型。

第一種類型之矽單晶薄膜，且在其中的延伸性缺陷密度極低（即穿透差排密度低於100/cm²）。這種矽薄膜具有目前微電子技術中，矽材料所能達到最高的載子遷移率 (1100~1400 cm ²/Vs)。但這種優質單晶品質的矽晶材料，僅存在於塊體單晶矽 (bulk silicon) 所製成的晶圓上，再磊晶生長的近乎零缺陷本質磊晶矽晶層 (intrinsic epitaxial silicon layer) 中才能達到。因此由這類矽薄膜覆蓋的基板價格相當高昂，一般是使用於製作高價位的中央處理器(CPU)的絕緣層矽晶材料 (silicon on insulator)。

第二類型之單晶薄膜雖有單晶的特徵，但在內部有較高的差排密度。此類型的單晶矽薄膜因其製作成本低，最常被採用。在現今相關薄膜形成技術中，其中一種方法是直接在r-晶面的藍寶石 (Al₂O₃) 基板上，以磊晶技術來長矽薄膜。r-晶面藍寶石和(100)矽薄膜表面原子空間排列相似，但是雙方晶格常數卻不匹配，長出後的矽晶薄膜層存有相當高的差排密度，因此伴隨發展出應用雷射區域熔融、離子佈植損傷、連續退火等方法，使能產生再結晶來釋放應變力，消除這些差排。雖然生長於藍寶石基板上的單晶矽薄膜層有相當高的差排密度，其載子遷移率之數量級與在非晶生長基板上獲得的矽薄膜層相比較，仍是相當高，為 200 至 300 (cm ²/Vs)。

雖然 r-晶面，(1102) 晶面藍寶石基板與單晶矽晶格結構和常數相似，但仍有5%以上的差異，屬於異質磊晶製程。這項晶格常數差異導致在此薄膜和生長基板間的介面處產生高密度的差排及V形疊差。藍寶石在基本晶格、機械性質和熱力性質方面，有諸多優異性質，因此主流製程選用 r-晶面藍寶石基板作為 (100) 單晶矽薄膜生長基板。

在未來研究展望中，a-晶面 (1120) 藍寶石基板可作 (110) 單晶矽薄膜生長基板，而 c-晶面 (0001)藍寶石基板可望作 (111) 單晶矽薄膜生長基板。(晶面如圖一所示)

藍寶石基板可耐相當高的溫度 (達 2300°C)，足以承受一般矽半導體製程的溫度，在適當製程條件下，可避免熱應力之干擾，直接在該基板上合成 VLSI 電子元件。只要克服現今薄膜轉移技術的高溫熱處理的限制，發展出低溫薄膜轉移技術 (< 450°C)，便可將已完成的電子元件轉移到低熔點可繞折基板上，製成可折疊攜式電子產品或是製作三度空間電子元件。藍寶石基板具有相當高的硬度及穩定性，不影響長成後之矽晶薄膜成分，可以一再重覆使用。

由於在藍寶石基板上的矽薄膜電性受到該薄膜晶體結構的影響非常大，使為數甚多的研究機構致力研究，提出許多改進晶體結構的方法。

現今在藍寶石上長單晶矽薄膜技術中，日本 Oki 公司(沖電氣集團)的磊晶技術居領先地位。在其技術報告白皮書揭露，在藍寶石上磊晶生長優質單晶矽薄膜方法如下：

一、先在藍寶石基板上以低溫生長一層矽薄膜作為緩衝層，然後再昇高溫度，成長正常單晶矽薄膜。當此單晶矽薄膜長到一定厚度時，越後長出的薄膜內的晶體結構將臻近於完美，而使差排集中在矽薄膜與藍寶石基板介面處。

二、為要解決差排存在的問題，需要將此區域晶格造成更大的扭曲變形，以便儲存應變能，在後續高溫退火製程中來驅動再結晶。其中之一的方法便是將矽原子以自我離子佈植方式，以合適的佈植能量植入該矽薄膜，使之植入的矽原子造成之損傷區域，自藍寶石生長介面起算，有 2/3 膜厚的晶體結構轟擊破壞，成為非晶狀態。

三、以高溫退火處理這塊經矽原子自我佈植後矽薄膜之藍寶石晶圓，使之再結晶。由於該矽晶格被扭曲呈現塑性變形，產生應變能且大量儲存在藍寶石基板介面處，使得被轟擊破壞的矽晶格在增高溫度時，可以釋放出應變能驅動再結晶，自最上方未經破壞的矽晶格當作晶種結晶下來，讓被轟擊錯位出來的矽原子歸位，將損壞的矽晶格修補，最終形成一在藍寶石上低差排密度單晶矽薄膜。全程步驟如圖二所示。

圖一：藍寶石基板的晶面

source: Kyocera USA

圖二：在藍寶石上以矽離子自我佈植方法製作低差排密度單晶矽薄膜步驟。

Reference: Toshiyuki Nakamura et. al., Development of Radio Frequency Circuit Using Silicon-on-Sapphire (SOS) Technology, Oki Technical Review, Issue 200 Vol. 71 No. 4 (2004)

[2010年展望]

NanoClub 研究團隊擬挑戰這有40年之久的SOS 矽薄膜磊晶難題，提出應用奈米磊晶、應變力、再結晶等基本理論的研究計劃，預定以兩年時間解決這問題，期待能成功在藍寶石基板上，合成一滿足VLSI元件標準之單晶矽薄膜。有興趣加入或和我們合作者，歡迎來信：inform@nanoclub.tw

研究結果成功之後.....

有志從事此項目研究者，建議修習科目(以下皆為在國立中央大學所開之課程)：
材料科學(機械系；大學部) →
物理冶金(機械系33028；大學部) →
絕緣層矽晶材料導論(機械系；研究所) →
半導體材料製造技術(電機系51070；研究所) →
半導體晶圓鍵合科學與技術(機械系33052；研究所) (touchdown!!)